DE10313363B4 - Optische Codierervorrichtung - Google Patents
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Codierervorrichtung und insbesondere auf den detaillierten Entwurf einer optischen Codierervorrichtung.
- Ein Codierer ist eine Vorrichtung, die eine Rückkopplung an ein Geschlossene-Schleife-System liefert. Der Codierer aktiviert eine Signalinterpretation, um Informationen über eine Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung und/oder dergleichen zu erhalten, wenn der Codierer in Verbindung mit einem Coderad oder einem Codestreifen arbeitet. Coderäder werden allgemein zur Erfassung der Rotationsbewegung von z. B. einer Papierzuführungstrommel in einem Drucker oder einer Kopiermaschine verwendet, während Codestreifen zur Erfassung der linearen Bewegung von z. B. einem Druckkopf eines Druckers verwendet werden.
- Üblicherweise wird die Bewegung des Coderads oder des Codestreifens optisch mittels eines optischen Emitters und eines optischen Detektors erfaßt. Deshalb ist der Codierer üblicherweise ein optischer Codierer. Der optische Emitter emittiert Licht in einer Lichtemissionsrichtung in Richtung des Coderads/Codestreifens. Das Coderad/der Codestreifen weist eine regelmäßige Struktur von Schlitzen und Stäben auf. Gemäß der Position der Schlitze und Stäbe relativ zu der Lichtemissionsrichtung ermöglicht und verhindert das Coderad/der Codestreifen abwechselnd bzw. alternierend, daß Licht durch dasselbe/denselben gelangt. Der optische Detektor ist hinter dem Coderad/Codestreifen positioniert, wenn dies in der Richtung der Lichtemission von dem optischen Emitter betrachtet wird, und erfaßt ein Lichtsignal basierend auf dem Licht, das durch den optischen Emitter emittiert und durch das Coderad/den Codestreifen übertragen wird. Das erfaßte Lichtsignal ist entweder vierfach oder sinuswellenförmig und die Frequenz des Lichtsignals ergibt eindeutige Informationen über die Bewegung des Coderades/Codestreifens.
- Aufgrund der speziellen Anordnung des optischen Emitters und des optischen Detektors eines derartigen optischen Codierers ist das Optischer-Codierer-Gehäuse zum Unterbringen des optischen Codierers im allgemeinen C-förmig. Der optische Codierer gemeinsam mit dem C-förmigen Optischer-Codierer-Gehäuse bildet eine C-förmige optische Codierervorrichtung. Das Coderad/der Codestreifen läuft durch den freien Bereich (die Ausnehmung) der C-förmigen optischen Codierervorrichtung und bewegt sich derart, daß der optische Codierer die Schlitze und Stäbe, die in dem Coderad/Codestreifen gebildet sind, erfassen kann. Die
2A und2C zeigen Querschnitte durch eine derartige C-förmige optische Codierervorrichtung201 gemeinsam mit einem Coderad202 bzw. einem Codestreifen203 und die2B und2D zeigen Draufsichten davon. Das Coderad202 und der Codestreifen203 sind mit einer regelmäßigen Struktur von Schlitzen204 (und Stäben zwischen den Schlitzen204 ) versehen, die derart angeordnet sind, daß eine Bewegung des Coderades202 bzw. des Codestreifens203 eindeutig erfaßbar ist. Deshalb läuft das Coderad202 bzw. der Codestreifen203 durch den freien Bereich205 der allgemein C-förmigen optischen Codierervorrichtung201 , die das Coderad202 bzw. den Codestreifen203 umfaßt. Wenn das Coderad202 um die Mittelachse C in einer Richtung gedreht wird, die durch die Pfeile206 angezeigt ist, bzw. wenn der Codestreifen203 linear in einer Richtung bewegt wird, die durch die Pfeile207 angezeigt ist, bewirken die Schlitze204 (und die Stäbe zwischen den Schlitzen204 ) ein alternierendes Lichtsignal in dem optischen Detektor des optischen Codierers, was zu eindeutigen Informationen über die Bewegung des Coderades202 bzw. des Codestreifens203 führt. - Allgemein ist die C-förmige optische Codierervorrichtung
201 auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) befestigt, die im Inneren des Gerätes, z. B. eines Druckers oder einer Kopiermaschine, positioniert ist, und die für ein elektrisches Koppeln des optischen Codierers mit der Steuerungseinheit des Gerätes verwendet wird. Die C-förmige optische Codierervorrichtung201 selbst weist als Hauptkomponenten einen optischen Emitter208 und einen optischen Detektor209 auf. Der optische Emitter208 kann eine lichtemittierende Diode sein, wohingegen der optische Detektor209 üblicherweise ein Array von Photodioden ist. Der optische Emitter208 und der optische Detektor209 sind derart im Inneren der C-förmigen optischen Codierervorrichtung201 angeordnet, daß ein gerader optischer Pfad211 für Licht resultiert, das durch den optischen Emitter208 emittiert und durch den optischen Detektor209 erfaßt wird. Licht, das durch den optischen Emitter208 emittiert wird und sich entlang des optischen Pfades211 bewegt, wird zuerst mittels einer optischen Linse210 in paralleles Licht kollimiert, die neben dem optischen Emitter208 positioniert ist, dann durch den freien Bereich205 und teilweise durch das Coderad202 bzw. den Codestreifen203 übertragen und schließlich durch den optischen Detektor209 erfaßt, der gegenüber dem optischen Emitter208 plaziert ist. Aufgrund der gegenüberliegenden Anordnung des optischen Emitters208 und des optischen Detektors209 hinsichtlich des Coderades202 bzw. des Codestreifens203 wird eine spezielle optische Durchstrahllösung für das Coderad202 bzw. den Codestreifen203 geschaffen. Diese optische Durchstrahllösung liefert eine gute Leistung zur Erfassung der Bewegung des Coderades202 bzw. des Codestreifens203 . - Die verfügbaren optischen Codierervorrichtungen gemäß dem Stand der Technik werden jedoch mit einer großen Anzahl von Teilen in aufwendigen Prozessen und mit großen Herstellungskosten hergestellt.
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3A zeigt einen Querschnitt durch einen ersten Typ von optischer Codierervorrichtung301 gemäß dem Stand der Technik. Die erste optische Codierervorrichtung301 weist einen optischen Emitter208 und einen optischen Detektor209 auf, die auf einem Leitungsrahmen oder Lead Frame302 angeordnet sind. Der Leitungsrahmen302 ist in einem Gehäusematerial304 eingelassen und weist einen elektrischen Schaltungsaufbau (nicht gezeigt) auf, der zum elektrischen Kontaktieren des optischen Emitters208 und des optischen Detektors209 verwendet wird. Allgemein sind der optische Emitter208 und der optische Detektor209 jeweils mit einer Kapsel303 bedeckt. Während einer Herstellung der optischen Codierervorrichtung301 werden der optische Emitter208 und der optische Detektor209 zuerst auf einem einzelnen gemeinsamen flachen Leitungsrahmen302 plaziert und dann mit den Kapseln303 bedeckt. Danach wird der flache gemeinsame Leitungsrahmen302 mit dem optischen Emitter208 , dem optischen Detektor209 und den Kapseln303 mit einem optischen transparenten Gehäusematerial304 bedeckt. Ferner ist eine optische Linse210 direkt oberhalb des optischen Emitters208 und teilweise innerhalb des Gehäusematerials304 vorgesehen. Zusätzlich ist ein Fenster305 direkt oberhalb des optischen Detektors209 und teilweise im Inneren des Gehäusematerials304 vorgesehen. - Die optische Linse
210 und das Fenster305 sind vorgesehen, um eine zufriedenstellende optische Übertragung für Licht durch die Oberfläche des Gehäusematerials304 an vorbestimmten Orten zu ermöglichen. Ferner ist die optische Linse210 vorgesehen, um Licht, das durch den optischen Emitter208 emittiert wird, in parallele Lichtstrahlen zu kollimieren. Nach einer Herstellung der optischen Linse210 und des Fensters305 wird die dazwischenliegende Vorrichtung in ein optisches Emitterelement306 und ein optisches Detektorelement307 unterteilt. Dann wird das optische Emitterelement306 oberhalb des optischen Detektorelements307 plaziert, wie in3A mit einem Pfeil308 angezeigt ist, derart, daß der optische Emitter208 gemeinsam mit der optischen Linse210 gegenüber dem optischen Detektor209 und dem Fenster305 zum Bilden eines C-förmigen optischen Codierers plaziert ist. Schließlich wird das optische Emitterelement305 mit einer Befestigungsklammer (nicht gezeigt) an dem optischen Detektorelement307 befestigt. Deshalb wird Licht, das durch den optischen Emitter208 emittiert wird, durch die optische Linse210 kollimiert, durch den freien Bereich205 zwischen dem optischen Emitter208 und dem optischen Detektor209 und durch das Fenster305 übertragen und durch den optischen Detektor209 erfaßt. So stellt der erste Typ von optischer Codierervorrichtung301 eine gefaltete Vorrichtung dar, die das optische Emitterelement306 und das optische Detektorelement307 aufweist. -
3B zeigt einen Querschnitt durch einen zweiten Typ von optischer Codierervorrichtung310 gemäß dem Stand der Technik. Im Gegensatz zu dem ersten Typ von optischer Codierervorrichtung301 , die oben beschrieben ist, wird der zweite Typ von optischer Codierervorrichtung310 unterschiedlich hergestellt und weist ein C-förmiges Codierergehäuse311 mit einem freien Bereich (Ausnehmung)205 auf. Das Codierergehäuse311 weist ein optisches transparentes Material und eine optische Linse210 auf. Ein optisches Emitterelement312 und ein optisches Detektorelement313 werden separat hergestellt und nachfolgend in jeweilige Ausnehmungen eingesetzt, die in dem Codierergehäuse311 gebildet sind, derart, daß der optische Emitter208 neben der optischen Linse210 plaziert ist. Das optische Emitterelement312 und das optische Detektorelement313 weisen jeweils einen Leitungsrahmen314 , auf dem der optische Emitter208 bzw. der optische Detektor209 befestigt sind, sowie ein Gehäuse auf. Die Leitungsrahmen314 weisen einen elektrischen Schaltungsaufbau (nicht gezeigt) zum elektrischen Kontaktieren des optischen Emitters208 bzw. des optischen Detektors209 auf. Deshalb stellt dieser zweite Typ von optischer Codierervorrichtung310 eine zusammengesetzte Vorrichtung mit einzeln hergestellten Elementen dar. - Der erste Typ von optischer Codierervorrichtung
301 und der zweite Typ von optischer Codierervorrichtung310 gemäß dem Stand der Technik weisen jedoch einige Nachteile auf. Unter anderem benötigen dieselben eine große Anzahl von Teilen und beinhalten aufwendige Verarbeitungsverfahren und bewirken dadurch hohe Produktionskosten. -
DE 699 00 267 T2 betrifft ein optoelektronisches System für eine tragbare Vorrichtung zur Messung einer Längs- oder Winkelverschiebung. Ein Lineal enthält einen mit Graduierungen versehenen Teil, um eine relative oder vorzugsweise absolute Codierung der Position des Lineals zu erlauben. Das Lineal kann relativ zu einem optischen Block verschoben werden. Eine zweite optische Oberfläche erlaubt einen Lichtstrahl von einem Fotosender zu reflektieren, indem er auf dem graduierten Teil des Lineals konzentriert wird. -
EP 1 312 896 A1 enthält einen kombinierten optischen Lichtleiter und schützende Umhüllung. Ein Gehäuse ist aus einem Volumen von optisch transparentem Material gebildet. Das Gehäuse ist geformt, um mindestens eine Vertiefung zu liefern, in welcher ein Objekt, beispielsweise ein Rotationscodierrad platziert werden kann. Mindestens eine Tasche oder Kavität ist innerhalb des Gehäuses gebildet. Eine reflektierende Grenzfläche der ersten Tasche reflektiert einen Lichtstrahl durch innere Totalreflexion in eine gewünschte Richtung. - Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Codierervorrichtung zu schaffen, die eine verbesserte Leistung aufweist und mit geringem Aufwand hergestellt werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine optische Codierervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Eine optische Codierervorrichtung gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung weist folgende Merkmale auf: einen optischen Emitter zum Emittieren von Licht, wobei der optische Emitter eine Lichtemissionsrichtung aufweist; einen optischen Detektor zum Erfassen von Licht, das durch den optischen Detektor emittiert wird, wobei der optische Detektor eine Lichterfassungsrichtung aufweist, die sich von der Lichtemissionsrichtung unterscheidet; ein optisches Element zum Steuern eines optischen Pfades zwischen dem optischen Emitter und dem optischen Detektor, derart, dass Licht, das durch den optischen Emitter emittiert wird, durch den optischen Detektor erfasst werden kann; und einen freien Bereich in der optischen Codierervorrichtung zum Unterbringen einer bewegbaren optischen Codierungseinheit, die eine Mehrzahl von alternierenden transparenten und lichtundurchlässigen Codierungselementen aufweist, derart, dass die Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente der optischen Codierungseinheit den optischen Pfad beeinflussen kann.
- Licht in dem Zusammenhang der vorliegenden Erfindung kann elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge, insbesondere z. B. sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung und/oder Infrarotstrahlung, sein.
- Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, daß die optische Codierervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl eine optische Durchstrahllösung für das optische Codierungselement, wie z. B. ein Coderad/einen Codestreifen, als auch ein einzelnes ungefaltetes gemeinsames Substrat ermöglicht, das sowohl den optischen Emitter als auch den optischen Detektor aufweist. Die optische Durchstrahllösung für das optische Codierungselement weist den Vorteil einer hohen Leistung auf und das einzelne ungefaltete gemeinsame Substrat weist den Vorteil auf, daß die optische Codierervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einfachen Herstellungsoperationen und mit wenigen Prozeßschritten hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Anzahl von Teilen, die miteinander ausgerichtet und aneinander befestigt werden müssen, hinsichtlich des Stands der Technik reduziert wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß mittels der vereinfachten Herstellungsoperationen, der reduzierten Verfahrensschritte und der reduzierte Anzahl von Teilen die Produktionskosten reduziert werden.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, in denen gleiche Teile oder Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
2A Querschnitte durch eine schematische optische Co- und2C dierervorrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
2B Draufsichten einer schematischen optischen Codie- und2D rervorrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
3A einen Querschnitt durch einen ersten Typ von optischer Codierervorrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
3B einen Querschnitt durch einen zweiten Typ von optischer Codierervorrichtung gemäß dem Stand der Technik; -
4 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
5 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und -
6 einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. -
1 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung100 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. - Die optische Codierervorrichtung
100 ist im wesentlichen C-förmig und weist ein Substrat101 , das einen elektrischen Schaltungsaufbau102 aufweist, einen optischen Emitter103 , einen optischen Detektor104 und ein optisches Element109 auf. Der optische Emitter103 und der optische Detektor104 sind elektrisch mit dem elektrischen Schaltungsaufbau102 verbunden, sind benachbart zueinander auf einer flachen Innenoberfläche S des Substrats101 befestigt und jeder derselben ist mit einer Kapsel105 bedeckt. Allgemein kann das Substrat101 gemäß der Erfindung z. B. ein Leitungsrahmen, ein einfügungsgeformter Leitungsrahmen, eine gedruckte Schaltungsplatine (PCS), ein Keramiksubstrat oder eine Mikroverbindungsvorrichtung (MID) sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die optische Codierervorrichtung100 in Verbindung mit einem einfügungsgeformten Leitungsrahmen als dem Substrat101 beschrieben. Der optische Emitter103 weist eine Lichtemissionsrichtung auf, die mit einem Bezugszeichen E angezeigt ist. Der optische Detektor104 weist eine Lichterfassungsrichtung auf, die mit einem Bezugszeichen D angezeigt ist und die sich von der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters103 unterscheidet. Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind der optische Emitter103 und der optische Detektor104 derart angeordnet, daß die Lichtemissionsrichtung E und die Lichterfassungsrichtung D zumindest im wesentlichen antiparallel sind. Der Leitungsrahmen101 schließt einen Luftzwischenraum106 ein und weist eine optische Linse107 oberhalb des optischen Emitters103 im wesentlichen in der Lichtemissionsrichtung E auf. Die optische Linse107 kann an dem Leitungsrahmen101 befestigt sein. Licht, das durch den optischen Emitter103 emittiert wird, wird durch die optische Linse107 in parallele Lichtstrahlen kollimiert und gelangt in der Lichtemissionsrichtung E oberhalb des Lichtemitters103 sowie oberhalb des Lichtdetektors104 in das optische Element109 . Das Licht, das durch den optischen Emitter103 emittiert wird und in das optische Element109 gelangt, bewegt sich entlang eines optischen Pfades108 im Inneren des optischen Elements109 in Richtung des optischen Detektors104 . - Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das optische Element
109 derart angeordnet, daß es eine innere Reflexion im Inneren des optischen Elements109 ermöglicht. Deshalb weist das optische Element109 ein optisches transparentes Material sowie eine flache erste Oberfläche110 und eine flache zweite Oberfläche111 auf, die einander gegenüberliegen. Die erste Oberfläche110 und die zweite Oberfläche111 sind in dem optischen Element109 gegenüber dem Lichtemitter103 und dem Lichtdetektor104 angeordnet und bilden eine Schnittstelle zu dem benachbarten Medium neben dem optischen Element109 . - Wenn Licht von einem Medium mit hoher Dichte auf eine Grenzfläche zwischen dem Medium mit hoher Dichte und einem Medium mit niedriger Dichte trifft, wird das Licht im allgemeinen weg von der normalen Ebene der Grenzfläche gebrochen (Snelliussches Gesetz). Wenn der Winkel, der zwischen der Richtung des auftreffenden Lichts und der normalen Ebene der Grenzfläche eingeschlossen ist, größer als ein kritischer Wert ist, wird das Licht vollständig an der Grenzfläche reflektiert und verläßt das Medium mit hoher Dichte nicht. Dieses Verhalten ist als innere Totalreflexion bekannt. Die erste Oberfläche
110 und die zweite Oberfläche111 umschließen jeweils einen vorbestimmten Winkel mit der Lichtemissionsrichtung E, derart, daß die vorbestimmten Winkel größer als der kritische Winkel der Grenzflächen zwischen dem optischen Element109 und dem benachbarten Medium sind. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das optische Element109 ein Epoxydharz auf, wohingegen das benachbarte Medium Luft ist. Deshalb ist der kritische Winkel für die erste Oberfläche110 und die zweite Oberfläche111 etwa 41°. So steuern die erste Oberfläche110 und die zweite Oberfläche111 den optischen Pfad108 zwischen dem optischen Emitter103 und dem optischen Detektor104 . - Um eine Totalreflexion des auftreffenden Lichtes an der ersten Oberfläche
110 und der zweiten Oberfläche111 sicherzustellen, kann das optische Element109 mit einem reflektierenden Material auf der ersten Oberfläche110 und/oder der zweiten Oberfläche111 beschichtet sein. Eine derartige Beschichtung ist hilfreich, um das optische Element109 weniger anfällig gegenüber Herstellungsungenauigkeiten der optischen Codierervorrichtung100 oder Fluktuationen der Lichtemissionsrichtung E während des Betriebs des Lichtemitters103 zu machen, und verhindert deshalb einen unerwünschten Lichtverlust an der ersten Oberfläche110 bzw. der zweiten Oberfläche111 . - Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schließt die erste Oberfläche
110 einen ersten Winkel mit zumindest im wesentlichen –45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters103 ein, wohingegen die zweite Oberfläche11 einen zweiten Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters103 einschließt. Das Licht, das oberhalb des optischen Emitters103 in das optische Element109 gelangt und sich entlang des optischen Pfades108 bewegt, trifft auf die erste Oberfläche110 , wird vollständig an der ersten Oberfläche110 reflektiert und in Richtung der zweiten Oberfläche111 gelenkt. Nach einem Bewegen zu der zweiten Oberfläche111 wird dieses Licht vollständig an der zweiten Oberfläche111 reflektiert, derart, daß es nun auf den optischen Detektor104 gelenkt wird. Deshalb ist der optische Pfad108 aufgrund der ersten Oberfläche110 und der zweiten Oberfläche111 im wesentlichen U-förmig. - Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der optische Emitter
103 eine lichtemittierende Diode und der optische Detektor104 weist ein Array von Photodioden auf. Der optische Emitter103 kann Licht als eine Punktquelle, als eine Schlitzquelle, als eine Ebenenquelle oder als eine volumetrische Quelle emittieren. Die optische Codierervorrichtung100 weist ferner einen freien Bereich113 zum Unterbringen einer bewegbaren optischen Codierungseinheit112 auf, die eine Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente aufweist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die optische Codierungseinheit112 ein Coderad/Codestreifen und weist eine regelmäßige Struktur von Schlitzen und Stäben (nicht gezeigt) auf. Die optische Codierungseinheit112 ist derart angeordnet, daß die regelmäßige Struktur in der Lage ist, den optischen Pfad108 zu beeinflussen. Ein Signalprozessor (nicht gezeigt) ist elektrisch mit dem optischen Detektor104 zum Verarbeiten der elektrischen Signale, die durch den optischen Detektor104 erzeugt werden, auf der Basis einer Abweichung des erfaßten Lichts verbunden, was durch eine Bewegung der optischen Codierungseinheit112 im Inneren des freien Bereichs113 bewirkt wird. Gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der freie Bereich113 im Inneren des optischen Elements109 zwischen der ersten Oberfläche110 und der zweiten Oberfläche111 angeordnet. - Das optische Element
109 ist einstückig gebildet, weshalb die Herstellung der optischen Codierervorrichtung100 verglichen mit dem Stand der Technik eine geringere Anzahl von Produktteilen beinhaltet. -
4 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung400 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Teile, die bereits aus1 bekannt sind, werden nicht noch einmal beschrieben. - Der einzige Unterschied zwischen der optischen Codierervorrichtung
400 gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und der optischen Codierervorrichtung100 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der freie Bereich113 im Inneren des optischen Elements109 zwischen der zweiten Oberfläche111 und dem optischen Detektor104 angeordnet ist. Die Tatsache, daß der freie Bereich113 näher an dem optischen Detektor104 positioniert ist, weist die Vorteile auf, daß optische Beugungen, die durch die optische Codierungseinheit112 bewirkt werden, reduziert werden, da der restliche optische Pfad108 zwischen der optischen Codierungseinheit112 und dem optischen Detektor104 kurz ist, und daß die Antwortzeit auf eine Bewegung der optischen Codierungseinheit112 reduziert wird. -
5 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung500 gemäß einem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Teile, die bereits aus den1 oder4 bekannt sind, werden nicht noch einmal beschrieben. - Im Gegensatz zu den optischen Codierervorrichtungen
100 und400 gemäß dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die optische Codierervorrichtung500 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Substrat501 auf, das in dem optischen Element109 gegenüber einer nicht flachen ersten Oberfläche502 und der flachen zweiten Oberfläche111 eingelassen ist. Wie bei dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Substrat501 z. B. ein Leitungsrahmen, ein einfügungsgeformter Leitungsrahmen, eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), ein Keramiksubstrat oder eine Mikroverbindungsvorrichtung (MID) sein. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist in Verbindung mit einem einfügungsgeformten Leitungsrahmen als dem Substrat501 beschrieben. Der einfügungsgeformte Leitungsrahmen501 bildet die optische untere Oberfläche des optischen Elements109 . Angebracht an dem Leitungsrahmen501 sind der optische Emitter103 und der optische Detektor104 . Die optische Codierervorrichtung500 weist keine optische Linse auf, da die erste Oberfläche502 des optischen Elements103 eine dreidimensionale parabolische Form aufweist. Deshalb wirkt die erste Oberfläche502 als ein Totalreflexionsspiegel sowie als ein Kollimator für Licht, das in der Lichtemissionsrichtung E von dem Lichtemitter103 auftrifft. So bildet Licht, das vollständig von der ersten Oberfläche502 reflektiert wird, einen parallelen Lichtstrahl, bevor es auf die zweite Oberfläche111 auftrifft. Wie bereits zuvor erwähnt wurde, können die erste Oberfläche502 und/oder die zweite Oberfläche111 mit einem Reflexivmaterial beschichtet sein, um das optische Element109 weniger anfällig für Herstellungsungenauigkeiten der optischen Codierervorrichtung500 oder Fluktuationen der Lichtemissionsrichtung E während des Betriebs des Lichtemitters103 zu machen, und dadurch einen unerwünschten Lichtverlust an der ersten Oberfläche502 bzw. der zweiten Oberfläche111 zu vermeiden. - Gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schließt die zweite Oberfläche
111 einen Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung E des Lichtemitters103 ein. Das Licht, das oberhalb des optischen Emitters103 in das optische Element109 gelangt und sich entlang des optischen Pfades108 bewegt, trifft auf die erste Oberfläche502 , wird an der ersten Oberfläche502 vollständig reflektiert und kollimiert und in Richtung der zweiten Oberfläche111 gelenkt. Nach einem Bewegen zu der zweiten Oberfläche111 wird dieses Licht vollständig an der zweiten Oberfläche111 reflektiert, derart, daß es nun auf den optischen Detektor104 gelenkt wird. Deshalb ist der optische Pfad108 aufgrund der ersten Oberfläche502 und der zweiten Oberfläche111 im wesentlichen U-förmig. Gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und ähnlich dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der freie Bereich113 im Inneren des optischen Elements109 zwischen der ersten Oberfläche502 und der zweiten Oberfläche111 angeordnet. - Die Verwendung einer dreidimensionalen parabolisch geformten ersten Oberfläche
502 anstelle einer optischen Kollimierungslinse gemeinsam mit einer flachen ersten Oberfläche weist den Vorteil auf, daß die Parallelität des Lichtstrahls, der sich entlang des verbleibenden optischen Pfads108 bewegt, erhöht wird und deshalb die Leistung der optischen Codierervorrichtung500 verbessert wird. -
6 zeigt einen Querschnitt durch eine optische Codierervorrichtung600 gemäß einem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Teile, die bereits aus den1 ,4 oder5 bekannt sind, werden nicht noch einmal beschrieben. - Der einzige Unterschied zwischen der optischen Codierervorrichtung
600 gemäß dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und der optischen Codierervorrichtung500 gemäß dem dritten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der freie Bereich113 im Inneren des optischen Elements109 zwischen der zweiten Oberfläche111 und dem optischen Detektor104 angeordnet ist. Die Tatsache, daß der freie Bereich113 näher an dem optischen Detektor104 positioniert ist, weist die Vorteile auf, daß optische Beugungen, die durch die optische Codierungseinheit112 bewirkt werden, reduziert werden, da der restliche optische Pfad108 zwischen der optischen Codierungseinheit112 und dem optischen Detektor104 kurz ist, und daß die Antwortzeit auf eine Bewegung der optischen Codierungseinheit112 reduziert wird. - In der folgenden Tabelle 1 sind die Anzahl und Art von Teilen, die zur Herstellung einer optischen Codierervorrichtung erforderlich sind, für die optischen Codierervorrichtungen
500 und600 gemäß dem dritten und dem vierten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, für die optischen Codierervorrichtungen100 und400 gemäß dem ersten und dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sowie für die erste und die zweite optische Codierervorrichtung301 und310 gemäß dem Stand der Technik verglichen. Tabelle 1:Nr. optische Codierervorrichtungen 500 und600 optische Codierervorrichtungen 100 und400 erster Typ von optischer Codierervorrichtung 301 (Stand der Technik)zweiter Typ von optischer Codierervorrichtung 301 (Stand der Technik)1 Substrat (einfügungsgeformter Leitungsrahmen) 501 mit elektrischem Schaltungsaufbau102 Substrat (Leitungsrahmen) 101 mit elektrischem Schaltungsaufbau102 Substrat (Leitungsrahmen) 302 mit elektrischem Schaltungsaufbau102 Substrat (Leitungsrahmen) 314 für optischen Emitter208 mit elektrischem Schaltungsaufbau (nicht gezeigt)2 optischer Emitter 103 optischer Emitter 103 optischer Emitter 208 optischer Emitter 208 3 optischer Detektor 104 optischer Detektor 104 optischer Detektor 209 Gehäusematerial für optisches Emitterelement 312 4 optisches Element 109 Kapsel 105 für optischen Emitter103 Kapsel 303 für optischen Emitter208 Substrat (Leitungsrahmen) 314 für optischen Detektor209 mit elektrischem Schaltungsaufbau (nicht gezeigt)5 Draht Kapsel 105 für optischen Detektor104 Kapsel 303 für optischen Detektor209 optischer Detektor 209 6 Chipanschluß (DA) optische Linse 107 Gehäusematerial 304 Gehäusematerial für optisches Detektorelement 313 7 Epoxid optisches Element 109 optische Linse 210 Codierergehäuse 311 8 Draht Fenster 305 optische Linse 210 9 Epoxid Befestigungsklammer (nicht gezeigt) Draht 10 Draht Epoxid 11 Epoxid - Aus Tabelle 1 wird klar, daß die vorliegende Erfindung, insbesondere sowohl das dritte als auch das vierte bevorzugte Ausführungsbeispiel, die Anzahl benötigter Teile für eine optische Codierervorrichtung reduziert. Deshalb reduziert eine optische Codierervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellungsprozesse sowie die Herstellungskosten wesentlich.
Claims (17)
- Optische Codierervorrichtung (
100 ) mit folgenden Merkmalen: einem optischen Emitter (103 ) zum Emittieren von Licht, wobei der optische Emitter (103 ) eine Lichtemissionsrichtung (E) aufweist; einem optischen Detektor (104 ) zum Erfassen von Licht, das durch den optischen Emitter (103 ) emittiert wird, wobei der optische Detektor (104 ) eine Lichterfassungsrichtung (D) aufweist, die sich von der Lichtemissionsrichtung (E) unterscheidet; einem optischen Element (109 ) zum Steuern eines optischen Pfads (108 ) zwischen dem optischen Emitter (103 ) und dem optischen Detektor (104 ), derart, dass Licht, das durch den optischen Emitter (103 ) emittiert wird, durch den optischen Detektor (104 ) erfasst werden kann, wobei das optische Element eine erste Oberfläche (110 ,502 ) und eine zweite Oberfläche (111 ) aufweist, die einander zugewandt sind, wobei die erste und die zweite Oberfläche (110 ,502 ;111 ) als Reflexionsspiegel für Licht, das durch den optischen Emitter (103 ) emittiert wird, wirken und den optischen Pfad (108 ) zwischen dem optischen Emitter (103 ) und dem optischen Detektor (104 ) steuern, wobei die erste Oberfläche eine parabolische Form aufweist und die zweite Oberfläche flach ist, die zweite Oberfläche einen Winkel von zumindest im wesentlichen +45° hinsichtlich der Lichtemissionsrichtung (E) einschließt, und wobei die erste Oberfläche in der Lage ist, Licht, das durch den optischen Emitter (103 ) emittiert wird, in parallele Lichtstrahlen zu kollimieren; und einem freien Bereich (113 ) in der optischen Codierervorrichtung (100 ) zum Unterbringen einer bewegbaren optischen Codierungseinheit (112 ), die eine Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente aufweist, derart, dass die Mehrzahl alternierender transparenter und lichtundurchlässiger Codierungselemente der optischen Codierungseinheit (112 ) in der Lage ist, den optischen Pfad (108 ) zu beeinflussen; wobei das in parallele Lichtstrahlen kollimierte Licht auf die optische Codierungseinheit gelangt. - Optische Codierervorrichtung (
100 ) gemäß Anspruch 1, bei der der optische Emitter (103 ) und der optische Detektor (104 ) derart angeordnet sind, dass die Lichtemissionsrichtung (E) und die Lichterfassungsrichtung (D) zumindest im wesentlich antiparallel sind. - Optische Codierervorrichtung (
100 ) gemäß Anspruch 2, bei der das optische Element (109 ) derart angeordnet ist, dass der optische Pfad (108 ) zumindest im wesentlichen U-förmig ist. - Optische Codierervorrichtung (
100 ) gemäß Anspruch 3, bei der das optische Element (109 ) derart entworfen ist, dass es eine innere Totalreflexion im Inneren des optischen Elements ermöglicht. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der freie Bereich (
113 ) zum Unterbringen der optischen Codierungseinheit (112 ) in dem optischen Element untergebracht ist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der freie Bereich (
113 ) zum Unterbringen der optischen Codierungseinheit (112 ) zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche angeordnet ist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der freie Bereich (
113 ) zum Unterbringen der optischen Codierungseinheit (112 ) zwischen der zweiten Oberfläche und dem optischen Detektor (103 ) angeordnet ist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der zumindest eine der ersten und der zweiten Oberfläche mit einem Reflexionsmaterial beschichtet ist.
- Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die erste und die zweite Oberfläche des optischen Elements als Reflexionsspiegel für Licht, das durch den optischen Emitter (
103 ) emittiert wird, wirken. - Optische Codierervorrichtung (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die optische Codierungseinheit (112 ) ein Coderad oder ein Codestreifen ist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die ferner einen Signalprozessor zum Verarbeiten der Signale, die durch den optischen Detektor (
104 ) erzeugt werden, auf der Basis einer Bewegung der optischen Codierungseinheit (112 ) aufweist, die den optischen Pfad (108 ) in dem freien Bereich (113 ) beeinflusst. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der optische Emitter und der optische Detektor nebeneinander angeordnet sind.
- Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der zumindest einer des optischen Emitters (
103 ) und des optischen Detektors (104 ) durch eine Kapsel bedeckt ist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der der optische Emitter (
103 ) und der optische Detektor (104 ) auf einem Substrat angeordnet sind. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der der optische Emitter (
103 ) eine lichtemittierende Diode ist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der der optische Detektor (
104 ) ein Array von Photodioden aufweist. - Optische Codierervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der das optische Element einstückig gebildet ist.
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